闪蒸及喷雾液滴特性对喷雾冷却强化换热的影响

发布时间：2020-05-07 01:18

【摘要】：随着超级计算机、航天电子设备、激光技术等领域的飞速发展,电子器件的发热功率日益增长。由于电子器件对工作温度非常敏感,电子器件热控系统对散热密度、温控精度、可靠性等指标的要求越来越高。喷雾冷却由于散热功率大、冷却效率高、综合性能好等优点,正逐渐取代传统散热方式,成为解决高发热电子器件散热问题的主要手段之一。为了进一步分析喷雾冷却的传热机理、增强喷雾冷却的换热性能、解决喷雾冷却在实际应用中的关键问题,本文重点研究了喷雾液滴特性(包括液滴闪蒸特性、压电雾化特性和液滴撞击特性)对喷雾冷却强化换热的影响。首先,针对航天热控的真空环境,本文建立了真空闪蒸条件下的喷雾冷却传热模型,研究了闪蒸对喷雾液滴特性和喷雾冷却换热特性的影响,得出了各种参数对喷雾冷却换热机制的影响机理和内在规律。模型中液滴闪蒸模型采用基于扩散控制蒸发方程的热导率修正模型,液膜闪蒸模型采用基于膜渗透理论的瞬态传质模型,经验证,该模型与实验结果吻合较好。研究结果表明:喷雾初始温度、喷雾流量、喷雾高度和喷雾张角都是影响闪蒸喷雾冷却换热特性的重要参数;闪蒸对喷雾冷却换热的强化效果显著;与普通喷雾冷却相比,闪蒸喷雾冷却具有更高的工质潜热利用率,能够在小流量下,达到更好的散热效果;液滴撞击壁面换热和液膜闪蒸换热是闪蒸喷雾冷却中的主要换热机制;喷雾液滴闪蒸可以显著降低液滴温度,从而增强喷雾冷却液膜流动换热和液滴撞击壁面换热,最终增强喷雾冷却整体换热性能。该研究为闪蒸喷雾冷却的工程应用和优化设计提供了理论基础。研究表明,喷雾流量和喷雾特性对喷雾冷却换热性能具有很大影响。然而,目前普遍使用的压力旋流喷嘴存在喷雾特性难以控制、喷雾流量大、雾化不均匀、需要压力泵等缺点。为了改进喷嘴在小流量时的雾化特性,本文研制了适用于喷雾冷却系统的压电雾化喷嘴,建立了压电雾化喷雾冷却传热特性实验平台,并对压电雾化喷嘴的喷雾特性及压电雾化喷雾冷却的传热特性进行了系统的实验研究。研究发现:压电雾化喷嘴在小流量下具有喷雾参数可控、不需要压力泵、自身功耗低、结构紧凑等优点;与压力旋流喷嘴相比,压电雾化喷嘴具有更好的雾化性能,即喷雾分布更加均匀、不存在中间空心区。压电雾化喷嘴的这种喷雾特性使得压电雾化喷雾冷却的壁面温度分布更加均匀,同时可以利用更少的流量实现更高的换热密度;随着喷嘴孔径的增大,喷雾流量增大,压电雾化喷雾冷却的换热密度也随之增大,但是喷雾冷却效率却随之降低。根据实验结果,本文得出了压电雾化喷雾冷却换热密度和喷雾冷却效率随喷雾流量变化的关联式,对压电雾化喷雾冷却的工程应用和系统优化具有重要的参考价值。由于液滴撞击壁面对喷雾冷却换热特性影响很大,为了深入研究喷雾冷却换热机制的细节,并进一步提高喷雾冷却换热特性,本文提出了采用高醇类表面活性剂来提高液滴撞击壁面的动态莱氏温度的方法,并利用高速摄影技术对液滴撞击高温壁面的动态莱氏温度和铺展特性进行了研究。研究结果表明:表面活性剂对液滴撞击高温壁面的动态莱氏温度和铺展特性影响很大,正辛醇和异辛醇表面活性剂均能显著提高动态莱氏温度,最高能够提升65℃;动态莱氏温度随表面活性剂浓度和液滴撞击动能的增大而升高,最大铺展因子随表面活性剂浓度和液滴撞击动能的增大而增大。根据实验现象,本文基于气泡破裂和气泡聚合机理,对动态莱氏温度的提升机理给出了相应的解释。在实验结果和机理分析的基础上,为了理解高醇类表面活性剂对动态莱氏效应的影响机理,本文采用韦伯数和奥内佐格数作为准则数,总结了动态莱氏温度和最大铺展因子的关联式。最后,在充分理解喷雾冷却换热机理和影响因素的基础上,为了进一步发挥喷雾冷却技术的独特优势,本文提出了基于喷雾冷却技术的超算中心高能效热控系统,并且评估了该系统的冷却性能、节能效果和经济效益。本文新型冷却系统把即插式喷雾冷却系统和废热驱动式吸收式制冷系统相结合,其中,喷雾冷却系统用于运算机柜的冷却,降低冷却系统的功耗;吸收式制冷系统不仅能够回收利用喷雾冷却系统的废热,而且能够降低空调系统的热负荷。通过与曙光5000A超级计算机原始冷却系统相比较,本文研究发现:新型冷却系统的节能效果显著,工质入口温度对系统性能影响很大;在最佳运行工况时,该系统制冷能效因子(CLF)低至0.22,说明新系统的冷却效率很高;能源使用效率(PUE)低至1.44,实现了理想型超算中心的最佳实践方案;系统节能效率(ESE)可达49%,具有很高的节能效果;新型冷却系统的投资回收期仅为1.5年,具有很高的经济效益。
【图文】：

图２．１闪蒸喷雾冷却中各种换热机制逡逑２．２．１液滴闪蒸模型逡逑图２．２为液滴闪蒸模型示意图，液滴在真空环境中闪蒸是一个涉及相变传热逡逑传质的瞬态问题。目前对液滴闪蒸的数值研宄主要采用等温模型［４５＿４７］，该模型忽逡逑略液滴内部温度梯度和对流效应。但事实上，液滴内部存在很大的温度梯度，导逡逑１２逡逑

液膜冲刷壁面少／Ｘ逡逑发热壁面逡逑图２．１闪蒸喷雾冷却中各种换热机制逡逑２．２．１液滴闪蒸模型逡逑图２．２为液滴闪蒸模型示意图，，液滴在真空环境中闪蒸是一个涉及相变传热逡逑传质的瞬态问题。目前对液滴闪蒸的数值研宄主要采用等温模型［４５＿４７］，该模型忽逡逑略液滴内部温度梯度和对流效应。但事实上，液滴内部存在很大的温度梯度，导逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】

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本文编号：2652181